DE19804279C2 - Method for the time-resolved measurement of energy spectra of molecular states and device for carrying out the method - Google Patents
Method for the time-resolved measurement of energy spectra of molecular states and device for carrying out the methodInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitaufgelösten Messung von Ener giespektren molekularer Zustände bei extern angeregten Reaktionen und Änderungen innerhalb von Molekülen durch Messung der Wechselwirkung von Infrarot-(IR)-Strahlung mit den Molekülen des Systems, und zwar insbe sondere bei nicht zyklisch arbeitenden Systemen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for time-resolved measurement of energy spectra of molecular states in externally excited reactions and Changes within molecules by measuring the interaction of infrared (IR) radiation with the molecules of the system, specifically especially for non-cyclical systems. In addition, the Invention on an apparatus for performing this method.
Die Erfassung zeitaufgelöster Energiespektren molekularer Zustände ist für das Verständnis der Wirkungsweise von Proteinen auf molekularer Ebene von zentraler Bedeutung. Neben statischen Strukturuntersuchungen mit atomarer Auflösung tritt dabei die dynamisch, d. h. bezüglich der zeitlichen Abfolge aufgelöste Messung der Reaktionskinetik in den Vordergrund, wodurch organische Stoffwechselvorgänge nachvollziehbar werden. Als Bei spiel seien dazu sogenannte Retinalproteine, wie Rhodopsin oder Bakterio rhodopsin, genannt, welche lichtangeregte Protonenpumpen darstellen. Nahezu alle anderen Stoffwechselprozesse gehen ebenfalls mit strukturellen Änderungen der daran beteiligten Proteine, d. h. Reaktionen auf molekularer Ebene einher.The acquisition of time-resolved energy spectra of molecular states is for understanding of how proteins work at the molecular level of central importance. In addition to static structural examinations with atomic resolution occurs dynamically, d. H. regarding the temporal Sequence of resolved measurement of reaction kinetics in the foreground, making organic metabolic processes understandable. As with Play so-called retinal proteins, such as rhodopsin or bacterio rhodopsin, which represent light-excited proton pumps. Almost all other metabolic processes also go with structural Changes in the proteins involved, i. H. Responses to molecular Level along.
Zur Untersuchung dynamischer Vorgänge auf molekularer Ebene mit hoher Zeitauflösung ist die Anwendung spektroskopischer Methoden allgemein geläufig, bei denen die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung, bei spielsweise Infrarotstrahlung niedriger Energie, mit Molekülen des betreffen den Systems ausgewertet wird. Die zeitaufgelöste Erfassung des Spektrums erfolgt nach Initiierung der zu untersuchenden Reaktion durch externe Ener giezufuhr, beispielsweise durch Bestrahlung der Probe mit einem intensiven Laser-Lichtblitz.For the investigation of dynamic processes on a molecular level with high Time resolution is the application of spectroscopic methods in general common, where the interaction of electromagnetic radiation, at for example, infrared radiation of low energy, with molecules of the concern the system is evaluated. The time-resolved acquisition of the spectrum takes place after initiation of the reaction to be investigated by external energy providers Giezufuhr, for example by irradiating the sample with an intensive Laser flash of light.
Zur Untersuchung struktureller Veränderungen auf molekularer Ebene wird zur Zeit beispielsweise zeitaufgelöste Raman-Spektroskopie sowie zeitaufge löste FTIR(Fourier Transform Infrarot)-Differenz-Spektroskopie angewandt. Während bei der Raman-Spektroskopie der Frequenz-, d. h. der Energieunter schied zwischen einfallendem und an der Probe gestreutem IR-Licht gemes sen wird, werden bei der FTIR-Methode charakteristische IR-Absorptionen gemessen. Durch die Anwendung von Differentialmethoden lassen sich die interessierenden Energiezustände der funktionell wichtigen Gruppen vor dem unvermeidlichen Hintergrundrauschen mit hoher struktureller Auflösung bestimmen.To study structural changes at the molecular level currently, for example, time-resolved Raman spectroscopy and time-resolved solved FTIR (Fourier Transform Infrared) difference spectroscopy applied. While in Raman spectroscopy the frequency, i.e. H. the energy sub distinguished between incident and scattered IR light measured on the sample characteristic IR absorptions with the FTIR method measured. By using differential methods, the energy states of interest of the functionally important groups before inevitable background noise with high structural resolution determine.
Für die Aufnahme eines kompletten FTIR-Spektrums sind IR-Absorptions messungen bei einer vorgegebenen Anzahl von Energie-Messwerten jeweils für voreingestellte Meßzeiten durchzuführen. Bei der sogenannten Fast-Scan- Meßmethode wird jeweils zu einer vorgegebenen Zeit nach der Anregung, beispielsweise durch einen Laserblitz, ein Energiespektrum durchgefahren, in dem der gesamte IR-Meßbereich mit einem einstellbaren Interferometer über strichen wird. Die Zeitauflösung ist dabei durch die Geschwindigkeit des beweglichen Spiegels im Interferometer auf etwa 40 ms begrenzt. Bessere Zeitauflösungen erreicht man mit der sogenannten Step-Scan-Technik. Dabei wird am Interferometer eine IR-Wellenlänge, d. h. eine Meßenergie, einge stellt und gehalten, während die Probe durch einen Laserblitz angeregt wird. Über entsprechende Detektoren wird nun das Abklingen der IR-Absorption erfaßt. Das vollständige Spektrum erhält man dabei, indem als Scan-Parame ter die Energie am Interferometer jeweils schrittweise ("Step") verstellt wer den, wonach jeweils erneut eine Anregung durch einen Lichtblitz erfolgt und die zeitliche Entwicklung der IR-Absorption gemessen wird ("Scan"). Die Zeitauflösung diese Meßmethode wird lediglich durch die Anstiegszeit des verwendeten Detektors begrenzt und liegt im ns-Bereich, ist also nahezu um drei Größenordnungen besser als bei der vorgenannten Fast-Scan-Technik. For the absorption of a complete FTIR spectrum are IR absorption measurements for a given number of energy measurements for preset measuring times. With the so-called fast scan Measurement method is always at a predetermined time after the excitation, passed through an energy spectrum, for example by a laser flash over the entire IR measuring range with an adjustable interferometer will be deleted. The time resolution is determined by the speed of the moving mirror in the interferometer limited to about 40 ms. Better Time resolutions can be achieved with the so-called step-scan technique. Here is an IR wavelength on the interferometer, i.e. H. a measuring energy, on poses and holds while the sample is excited by a laser flash. The decay of the IR absorption is now detected by appropriate detectors detected. The full spectrum can be obtained by using the scan parameter ter the energy on the interferometer is adjusted step by step the, after which there is again an excitation by a flash of light and the temporal development of the IR absorption is measured ("scan"). The Time resolution this measurement method is only due to the rise time of the used detector is limited and is in the ns range, so it is almost around three orders of magnitude better than with the aforementioned fast scan technique.
Zum Stand der Technik ist aus der US-PS 5 251 008 ein Fourierspektrometer zur Durchführung zeitaufgelöster Fourierspektrometrie bekannt, welches nach dem Step-Scan-Meßverfahren betrieben wird. Wie vorangehend erläutert, wird dabei nach der Anregung durch einen Lichtblitz das Antwortsignal in einem vorbestimmten Frequenzintervall gemessen. Zur Abdeckung eines vollständigen Spektrums wird dieses begrenzte Meßintervall jeweils variiert, so daß eine Vielzahl von Messungen an einzelnen Proben erforderlich ist. Ein ähnliches FTIR-Spektrometer ist aus der US-5 196 903 bekannt, bei dem jeweils für eine Messung die Hüllkurve des Antwortsignals erfaßt wird. Dies ändert nichts daran, daß nach wie vor eine Vielzahl von Proben erforderlich ist. Dies gilt ebenfalls für das in der US-PS 5 021 661 beschriebene, zeitauflösende FTIR-Spektrometer. Das in der US-PS 5 612 784 vorgeschlagene FTIR-Spektrometer nebst Meßverfahren bezieht sich auf eine besondere Aufbereitung der Meßdaten, setzt allerdings nach wie vor ebenfalls einen erheblichen Aufwand zur Erfassung eines vollständigen Spektrums voraus.The state of the art is from US Pat. No. 5,251,008 Fourier spectrometer for performing time-resolved Fourier spectrometry known, which is operated according to the step-scan measurement method. How explained above, after the excitation by a flash of light the response signal is measured in a predetermined frequency interval. To cover a full spectrum, this is limited Measurement interval varies in each case, so that a variety of measurements individual samples is required. A similar FTIR spectrometer is from the US Pat. No. 5,196,903, in which the envelope curve of the Response signal is detected. This does not change the fact that there is still a Variety of samples is required. This also applies to that in the US PS 5,021,661 described, time-resolving FTIR spectrometer. That in the US Pat. No. 5,612,784 proposed FTIR spectrometer along with measurement methods refers to a special preparation of the measurement data, but sets still a considerable effort to record a full spectrum ahead.
Durch die Step-Scan-Technik, insbesondere im Zusammenhang mit der Durchführung von FTIR bei Anregung durch intensive Laserpulse, wird die Probensubstanz durch die eingekoppelte Energie erheblich belastet. Grund sätzliche Bedeutung erhält dieser Umstand bei Messungen an nicht zyklisch arbeitenden Systemen, die durch den Anregungs-Lichtblitz von einem Aus gangszustand in einen Endzustand versetzt werden, ohne danach selbsttätig in den Ausgangszustand zurückzukehren. Bei den bisher bekannten Vorrich tungen zur Durchführung von FTIR-Step-Scan-Meßverfahren, wie sie bei spielsweise in der Zeitschrift Applied Spectroscopy 51, Nr. 4, 1997, Seiten 558-562, beschrieben sind, ist es dabei erforderlich, vor jedem Reaktions start die durch die vorherige Messung irreversibel veränderte Probe jeweils auszutauschen. Dies führt natürlich dazu, daß die Aufnahme vollständiger Spektren einen enormen Arbeits- und Zeitaufwand mit sich bringt.Through the step-scan technique, especially in connection with the Implementation of FTIR when excited by intense laser pulses, the Sample substance significantly burdened by the coupled energy. Reason This fact is of additional importance for measurements on non-cyclical working systems by the excitation flash of light from an off current state can be put into a final state without automatically to return to the initial state. In the previously known Vorrich to carry out FTIR step scan measurement procedures, as in for example in the journal Applied Spectroscopy 51, No. 4, 1997, pages 558-562, it is necessary to do this before each reaction start the sample irreversibly changed by the previous measurement exchange. This naturally leads to the fact that the recording is more complete Spectra involves an enormous amount of work and time.
Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung von Step-Scan-Messungen, hier insbesondere auf der Grundlage von FTIR, anzugeben, bei dem ein vollständiges Spektrum in kürzerer Meßzeit mit geringem Arbeitsaufwand aufgenommen werden kann.This results in the object of the invention, a method and a Device for performing step-scan measurements, here Specifically based on FTIR, where a Complete spectrum in a shorter measuring time with little effort can be included.
Zur Lösung der vorgenannten Problematik schlägt die Erfindung ausgehend von dem vorgenannten, nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren vor, daßTo solve the above-mentioned problem, the invention suggests from the aforementioned method known from the prior art before that
- - innerhalb einer flächenhaft ausgedehnten Probe eine Vielzahl von räumlich getrennten lokalisierten Probensegmenten definiert wird,- a large number of samples within a large area spatially separated localized sample segments are defined,
- - eine Mehrzahl der Probesegmente sequentiell nacheinander lokal ange regt wird und dabei als Meßsignal jeweils die Intensität der Infrarot strahlung nach der Wechselwirkung mit der Probe für einen jeweils voreingestellten spektralen Scan-Parameter gemessen wird,- A plurality of the sample segments sequentially sequentially locally is excited and the intensity of the infrared as a measurement signal radiation after interacting with the sample for one at a time preset spectral scan parameters is measured
- - der Scan-Parameter schrittweise zwischen der Messung einzelner Pro bensegmente so variiert wird, daß mit einer vorgegebenen Anzahl von Messungen alle Meßwerte innerhalb des Scan-Meßbereichs durchgefahren werden.- The scan parameter step by step between the measurement of individual Pro Bensegmente is varied so that with a predetermined number of Measurements all measured values within the scan measuring range be carried out.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß zur Aufnahme eines dynamischen Spektrums, welches sowohl im Fast-Scan- als auch im Step-Scan-Verfahren eine Vielzahl von externen Anregungen erfor dert, eine den vorab definierten Probensegmenten entsprechende Anzahl von Anregungen und Scan-Messungen an einer einzigen Probe durchführbar sind, ohne daß diese ausgetauscht werden müßte. Erfindungsgemäß wird dabei die Anregungsstrahlung, d. h. der Laserblitz, innerhalb eines Probensegments lokal auf der Probe fokussiert. Sowohl der Laserblitz als auch die IR- Meßstrahlung werden innerhalb eines Probensegments auf einen Durchmesser in der Größenordnung von 100-500 µm begrenzt. Die einzelnen Probensegmente bilden in ihrer Gesamtheit ein Meß-Raster und sind zweckmäßigerweise so bemessen, daß durch eine irreversible Anregung in einem Probesegment die Probe in den anderen Probensegmenten nicht beeinflußt wird. Dadurch ist auch die Wärmebelastung relativ gering. The particular advantage of the method according to the invention is that Recording of a dynamic spectrum, which can be used in both Fast-Scan and a large number of external suggestions are also required in the step-scan process changes, a number of corresponding to the previously defined sample segments Suggestions and scan measurements can be carried out on a single sample, without having to be replaced. According to the invention the excitation radiation, d. H. the laser flash, within a sample segment focused locally on the sample. Both the laser flash and the IR Measuring radiation is applied to a within a sample segment Diameter limited to the order of 100-500 µm. The individual sample segments in their entirety form a measurement grid and are appropriately dimensioned so that by an irreversible excitation in one sample segment, the sample in the other sample segments does not being affected. As a result, the heat load is also relatively low.
Zur Aufnahme eines Spektrums im FTIR-Step-Scan-Verfahren wird als Scan- Parameter, d. h. als Meßparameter, die Spiegelposition xi des beweglichen Spiegels am Interferometer, also die IR-Energien in fourier-transformierter Darstellung, eingestellt. Anschließend wird die Reaktion innerhalb eines vorbestimmten Probensegments durch Einstrahlung eines Laserblitzes gestartet und die sich dabei ergebenden IR-Absorptionsänderungen als Meßwert über die Zeit erfaßt. Anschließend wird ein anderes Probensegment, welches bisher innerhalb der Meßsequenz noch nicht angeregt worden ist, ausgewählt und die vorgenannte Messung wiederholt. In Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl der Mittelungen für einen Energiewert wird die IR-Wellenlänge am Interferometer zwischen aufeinanderfolgenden Anregungen, d. h. Messungen an unterschiedlichen Probensegmenten jeweils variiert, und zwar bis alle gewünschten Meßpunkte innerhalb des Scan-Meßbereichs durchgefahren sind.In order to record a spectrum in the FTIR step scan method, the mirror position x i of the movable mirror on the interferometer, ie the IR energies in a Fourier-transformed representation, is set as the scan parameter, ie as the measurement parameter. The reaction is then started within a predetermined sample segment by irradiation of a laser flash and the resulting IR absorption changes are recorded as a measured value over time. Then another sample segment, which has not yet been excited within the measurement sequence, is selected and the aforementioned measurement is repeated. Depending on the desired number of averages for an energy value, the IR wavelength on the interferometer is varied between successive excitations, ie measurements on different sample segments, until all the desired measuring points within the scan measuring range have been passed.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß vollständige Spektren an nicht zyklisch arbeitenden Systemen, beispiels weise caged ATP, an einer einzigen, flächig ausgedehnten Probe aufgenom men werden können, ohne diese jeweils zwischen zwei Messungen aus wechseln zu müssen. Bei einem Probendurchmesser in der Größenordnung von einigen Millimetern bis hin zu einigen Zentimetern läßt sich nämlich eine hinreichende Anzahl von Probensegmenten definieren, die jeweils einzeln einem irreversiblen Meßvorgang unterzogen werden. Durch den im Verhältnis zur Gesamtprobefläche kleinen lokalen Meßbereich wird durch den Laserblitz jeweils nur eine relativ geringe Energie eingekoppelt, so daß die Zustandsänderung der Probe jeweils nur lokal begrenzt ist. Indem die Probe und der Einkopplungsbereich der Anregungs- und Meßstrahlung zwi schen zwei Messungen jeweils relativ zueinander verfahren werden, läßt sich an einer einzigen Probe eine der Anzahl der Probensegmente entsprechende Vielzahl von Messungen durchführen.A particular advantage of the method according to the invention is that complete spectra on non-cyclical systems, for example wise caged ATP, recorded on a single, extensive sample can be measured without this between two measurements to have to change. With a sample diameter of the order of magnitude from a few millimeters to a few centimeters, one can Define sufficient number of sample segments, each individually undergo an irreversible measurement process. By in proportion the small local measuring range becomes the total test area only a relatively small amount of energy is coupled in by the laser flash, so that the state change of the sample is only locally limited. By the Sample and the coupling range of the excitation and measurement radiation between two measurements can be moved relative to each other, can be on a single sample one corresponding to the number of sample segments Take a variety of measurements.
Die Probensegmente beim erfindungsgemäßen Verfahren sind kleine Flächenbereiche einer Probe, die durch eine homogene, durchgehende dünne Schicht der Probensubstanz gebildet werden. Diese läßt sich relativ einfach dadurch präparieren, daß die Probensubstanz zwischen IR-durchlässige Fenster auf eine Dicke von wenigen µm eingepreßt wird. Dadurch lassen sich Absorptionsmessungen in Transmission besonders gut durchführen. Es ist auch denkbar, die Probensegmente voneinander separat zu gestalten.The sample segments in the method according to the invention are small Areas of a sample that are characterized by a homogeneous, continuous thin Layer of the sample substance are formed. This is relatively easy prepare in that the sample substance between IR-transparent Window is pressed to a thickness of a few microns. Let it through absorption measurements in transmission are particularly good. It it is also conceivable to design the sample segments separately from one another.
Innerhalb einer Meßsequenz, in deren Verlauf alle oder zumindest ein Teil der zu erfassenden Meßwerte durchgefahren werden, kann vorzugsweise vorge sehen werden, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Messungen jeweils nicht unmittelbar in der Probenfläche benachbarte Probensegmente betref fen. Dadurch erreicht man zum einen eine gleichmäßig verteilte Energieein kopplung durch die Laserblitze in die gesamte Probe und vermeidet dadurch lokale Beanspruchungen durch Erwärmung. Zum anderen werden durch eine stochastische Verteilung der betrachteten Probensegmente systematische Fehler durch Inhomogenitäten der Probe reduziert.Within a measurement sequence, in the course of which all or at least part of the Measured values to be recorded can preferably be performed will see that two successive measurements each not directly related to sample segments in the sample area fen. On the one hand, this achieves an evenly distributed energy coupling through the laser flashes into the entire sample and thereby avoids local stresses from warming. On the other hand, through a systematic stochastic distribution of the sample segments under consideration Errors due to sample inhomogeneity reduced.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann sowohl für FTIR-Messungen, als auch für FT-Raman-Messungen, als auch für sonstige lokale Meßverfahren verwendet werden. Die Durchführung von Fast-Scan-Methoden, bei denen als Scan-Meßparameter die Meßzeit schrittweise durchgefahren wird, ist gleichermaßen möglich.The measuring method according to the invention can be used both for FTIR measurements and also for FT-Raman measurements, as well as for other local measuring methods be used. The implementation of fast-scan methods in which the scan time is passed step by step as a scan measurement parameter equally possible.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geht im wesentlichen aus von einem vorbeschriebenen Meßaufbau aus, beispielsweise einem FTIR-Mikroskop wie in Applied Spectroscopy 51, Nr. 4, 1997, S. 558-562, angegeben. Dieser weist eine Anregungsstrahlquelle, beispielsweise einen Laser, optische Elemente zur Fokussierung der Anregungsstrahlung auf ein Meßfeld einer Probe, eine Infrarotstrahlungs quelle, entsprechende optische Elemente zur Erfassung eines aus dem Meß feld der Probe abgegebenen Infrarot-Meßsignals, einen Infrarot-Detektor sowie einen verstellbaren Energiefilter, beispielsweise ein Interferometer, auf, der im Strahlengang vor dem Infrarot-Detektor angeordnet ist und an dem die jeweilige Infrarot-Meßenergie einstellbar ist. Die dazugehörigen Steuer-Meß- und Auswerteeinheiten, die zur Durchführung von Scan-Mes sungen erforderlich sind, sind nach dem Stand der Technik ebenfalls be kannt. A device for performing the aforementioned method is in essentially from a previously described measurement setup, for example an FTIR microscope as in Applied Spectroscopy 51, No. 4, 1997, pp. 558-562. This has an excitation beam source, for example a laser, optical elements for focusing the Excitation radiation on a measuring field of a sample, an infrared radiation source, corresponding optical elements for detecting one from the measurement field of the sample emitted infrared measurement signal, an infrared detector and an adjustable energy filter, for example an interferometer, on, which is arranged in the beam path in front of the infrared detector and on which the respective infrared measurement energy can be set. The related ones Control measuring and evaluation units, which are used to carry out scan measurements Solutions are required, are also be according to the prior art knows.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die IR-Meßoptik ein Cassegrain-Objektiv aufweist. Das als Umlenkelement verwendete Quarzprisma wird dann bevorzugt vor dem Fangspiegel des Cassegrain-Objektivs angebracht. Mittels einer schrägstehenden Reflexionsfläche ist es dann möglich, einen seitlich eingestrahlten Laserstrahl senkrecht in die Probenfläche einzustrahlen.An advantageous development of the device according to the invention provides before that the IR measuring optics has a Cassegrain lens. That as Quartz prism used is then preferred before Cassegrain lens secondary mirror attached. By means of a inclined reflective surface, it is then possible to one side irradiate the laser beam vertically into the sample surface.
Zur Verringerung der in die Probe bei einer Anregung mit einem Laserblitz jeweils eingebrachten Energiemenge wird das Profil des Laserstrahls zweck mäßigerweise durch einen Raumfilter, beispielsweise in Form eines Pinholes, eingegrenzt.To reduce the amount in the sample when excited with a laser flash the amount of energy introduced is used for the profile of the laser beam moderately through a spatial filter, for example in the form of a pinhole, narrowed down.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläu tert. Hierzu zeigen im einzelnenThe method according to the invention and a device for carrying it out the method are explained below with reference to the drawings tert. Show this in detail
Fig. 1: schematisch eine Draufsicht auf eine Probe; FIG. 1 shows schematically a plan view of a sample;
Fig. 2: ein FTIR-Spektrum; . Figure 2 is a FTIR spectrum;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines kombinierten FTIR-Meßkopfes mit einem erfindungsgemäßen Probenhalter; Fig. 3 is a schematic representation of a combined FTIR measuring head with a sample holder according to the invention;
Fig. 4: einen schematischen Aufbau einer voll ständigen FTIR-Meßvorrichtung. Fig. 4: a schematic structure of a fully permanent FTIR measuring device.
Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Probe 1, wobei die Proben substanz die Form einer in der X-Y-Ebene liegenden, runden Scheibe hat. Diese ist beispielsweise zwischen im einzelnen nicht dargestellten, IR- durchlässigen CaF2-Fenstern mit einer Schichtdicke von einigen µm eingequetscht. Fig. 1 shows a schematic plan view of a sample 1 , wherein the sample substance has the shape of a round disc lying in the XY plane. This is squeezed, for example, between IR-transparent CaF 2 windows, not shown in detail, with a layer thickness of a few μm.
Zur Umsetzung des vorgenannten, erfindungsgemäßen Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Probe flächenhaft ausgedehnt ist, die Probenfläche ein Vielfaches des Meßfelds beträgt, und daß die Probe in einer Scan-Einrichtung angeordnet ist, in der das Meßfeld auf verschiedene Pro bensegmente innerhalb der Probenfläche verfahrbar ist.To implement the aforementioned method according to the invention provided according to the invention that the sample is expanded over a wide area, the Sample area is a multiple of the measuring field, and that the sample in a Scanning device is arranged in which the measuring field on different Pro sub-segments can be moved within the sample area.
Bei der erfindungsgemäßen Scan-Einrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Kreuztisch, in den die Probe eingespannt wird, und an dem die X- Y-Koordinaten der Probe derart einstellbar sind, daß mit dem Anregungs- und Meßstrahl alle vordefinierten Probensegmente sequentiell erreichbar sind.The scan device according to the invention is, for example around a cross table in which the sample is clamped and on which the X- Y coordinates of the sample can be set such that the excitation and Measuring beam all predefined sample segments can be reached sequentially.
Grundsätzlich ist es gleichgültig, ob zur Erzielung der Relativbewegung der Meßkopf zur Ankopplung der Anregungsstrahlung und Auskopplung des Meßsignals räumlich festgehalten wird und die Probe verfahren wird oder umgekehrt. Es ist jedoch vorteilhaft, daß die Probe selbst auf einem moto risch in der Ebene der Probenfläche verfahrbaren Probenhalter angeordnet ist, d. h. einem Kreuztisch. Daraus ergibt sich ein einfacherer optischer und mechanischer Aufbau, als wenn der Meßkopf selbst verfahren werden müßte.Basically, it is irrelevant whether the Measuring head for coupling the excitation radiation and coupling out the Measurement signal is held spatially and the sample is moved or vice versa. However, it is advantageous that the sample itself on a moto Sample holder movable in the plane of the sample surface is, d. H. a cross table. This results in a simpler optical and mechanical construction, as if the measuring head itself are moved ought to.
Vorzugsweise wird ein FTIR-Spektrometer mit einer erfindungsgemäßen Pro benhalterung ausgerüstet. Die Anbringung an einem Raman-Spektrometer oder einer sonstigen spektrometrischen Meßeinrichtung ist jedoch ebenfalls denkbar.An FTIR spectrometer with a Pro according to the invention is preferably used bracket equipped. Attachment to a Raman spectrometer or another spectrometric measuring device is also, however conceivable.
Die Messungen können sowohl in Transmission als auch in Reflexion erfol gen. Besonders gut geeignet für Transmissionsmessungen sind Proben, bei denen die Probensubstanz mit einer Schichtdicke von einigen µm zwischen zwei flächenhaft ausgedehnten, IR-durchlässigen Fenstern eingebracht ist. Zur Einkopplung der Anregungsstrahlung, d. h. des Laserblitzes, koaxial zum IR-Strahlengang ist zweckmäßigerweise vor der IR-Meßoptik ein Win kelspiegel angeordnet, mit dem der von seitlich eingestrahlte Laserblitz senk recht auf die Probenoberfläche im jeweils zu messenden Probensegment gelenkt wird. Bevorzugt wird hierzu ein Quarzprisma verwendet, da dieses der hohen Belastung durch die Laserblitze ohne weiteres dauerhaft standhält. The measurements can take place both in transmission and in reflection Specimens are particularly well suited for transmission measurements which the sample substance with a layer thickness of a few microns between two extensive, IR-permeable windows. To couple the excitation radiation, d. H. of the laser flash, coaxial to the IR beam path is expediently a win in front of the IR measuring optics kelspiegel arranged with which the laser beam from laterally irradiated right on the sample surface in the sample segment to be measured is directed. A quartz prism is preferably used for this, since this easily withstands the high stress caused by laser flashes.
Wie dargestellt wird in XY-Richtung ein Meßraster definiert. Jeweils auf den Kreuzungspunkten des Meßrasters liegen die als gefüllter Kreis eingezeichne ten Meßfelder x(n), die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nachein ander, beispielsweise in einer Meßsequenz x(n), x(n + 1), x(n + 2), ... lokal durch einen Laserblitz angeregt und beispielsweise mittels FTIR gemessen werden.As shown, a measurement grid is defined in the XY direction. Each on the Crossing points of the measuring grid are shown as a filled circle th measuring fields x (n), which in accordance with the inventive method other, for example in a measurement sequence x (n), x (n + 1), x (n + 2), ... locally excited by a laser flash and measured, for example, by FTIR become.
Fig. 2 zeigt schematisch ein im FTIR-Step-Scan-Verfahren aufgenommenes Energiespektrum. Dabei wird als Scan-Parameter die Energie der IR-Strahlung schrittweise durchgefahren. Für jeden Energiewert erfolgt mindestens eine Anregung durch einen Laserblitz, was schematisch durch die Blitze bei den Energiewerten x(n) und x(n + 1) dargestellt ist. Nach jeder Anregung wird die IR-Intensität I(t), d. h. die Absorption zum Zeitnullpunkt t = 0 sowie danach in zeitlichen Intervallen t(i) gemessen. Auf diese Weise erhält man ein voll ständiges Energiespektrum. Fig. 2 schematically shows a captured in the FTIR step-scan method energy spectrum. The energy of the IR radiation is passed through step by step as a scan parameter. For each energy value there is at least one excitation by a laser flash, which is shown schematically by the flashes for the energy values x (n) and x (n + 1). After each excitation, the IR intensity I (t), ie the absorption at the zero point in time t = 0 and thereafter at time intervals t (i), is measured. In this way you get a full spectrum of energy.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Anregung und die Messung der IR-Intensität für die IR-Meßenergien x(n), x(n + 1), ... jeweils lokal an den entsprechenden Probensegmenten gemäß dem in Fig. 1 darge stellten Meßraster. Hierzu wird die Probe 1 bei der Aufnahme des Spektrums relativ zur Meßvorrichtung jeweils so verfahren, daß vor einer Messung jeweils das entsprechende Probensegment im Strahlengang der Meßvorrich tung steht.According to the method according to the invention, the excitation and measurement of the IR intensity for the IR measurement energies x (n), x (n + 1), ... each take place locally on the corresponding sample segments in accordance with the measurement grid shown in FIG. 1. For this purpose, sample 1 is moved relative to the measuring device when recording the spectrum so that the corresponding sample segment is in the beam path of the measuring device before a measurement.
Fig. 3 zeigt einen Meßkopf 2, mit dem die von unten durch die Probe 1 transmissiv gestrahlte IR-Meßstrahlung über eine Cassegrain-Spiegeloptik erfaßbar ist. Zur koaxialen Einkopplung des Laserblitzes ist zentral am Meß kopf 2 ein optisches Umlenkelement, beispielsweise ein Quarzprisma 3 ange ordnet, mit dem ein radial eingestrahlter Laserblitz senkrecht von oben auf die Probe 1 eingestrahlt werden kann. Der Meßkopf 2 ist als Cassegrain- Objektiv ausgebildet, wobei das Quarzprisma 3 vor dem zentralen Fangspiegel angebracht ist. FIG. 3 shows a measuring head 2 with which the IR measuring radiation radiated by the sample 1 from below can be detected via a Cassegrain mirror optic. For the coaxial coupling of the laser flash, an optical deflection element, for example a quartz prism 3, is arranged centrally on the measuring head 2 , with which a radially irradiated laser flash can be irradiated perpendicularly from above onto the sample 1 . The measuring head 2 is designed as a Cassegrain lens, the quartz prism 3 being attached in front of the central secondary mirror.
Während der Meßkopf 2 während der Messung seine räumliche Position bei behält, ist die Probe 1 auf einem erfindungsgemäßen Kreuztisch 4 in XY- Richtung verfahrbar eingespannt. Mittels eines nicht dargestellten, rechnergesteuerten motorischen Antriebs kann damit jedes Probensegment x(n) vor dem Meßkopf 2 so positioniert werden, daß es lokal durch einen Laserblitz angeregt und anschließend durch Intensitätsmessung der IR- Meßstrahlung gemessen werden kann.While the measuring head 2 maintains its spatial position during the measurement, the sample 1 is clamped on a cross table 4 according to the invention so as to be movable in the XY direction. By means of a computer-controlled motor drive (not shown), each sample segment x (n) can thus be positioned in front of the measuring head 2 in such a way that it can be locally excited by a laser flash and then measured by measuring the intensity of the IR measuring radiation.
Fig. 4 zeigt schematisch einen FTIR-Meßaufbau. Darin ist die Anordnung einer über ein Interferometer bezüglich der Energie einstellbaren IR-Meßstrah lungsquelle 5, eines Lasers 6, eines IR-Detektors 7 sowie dazugehöriger Steuer- und Meßelektronik 8 zu erkennen. Fig. 4 shows schematically an FTIR measurement setup. This shows the arrangement of an IR measuring beam 5 adjustable via an interferometer with regard to energy, a laser 6 , an IR detector 7 and the associated control and measuring electronics 8 .
Die dargestellte Vorrichtung stellt im wesentlichen eine bekannte Anlage zur Durchführung von FTIR-Messungen dar, die durch einen steuerbaren Kreuz tisch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert ist. Dadurch lassen sich die bereits dargelegten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens realisieren.The device shown essentially provides a known system Carrying out FTIR measurements represented by a controllable cross table is expanded to carry out the method according to the invention. This allows the advantages of the invention according to the invention to be explained Realize the procedure.
Claims (14)
- 1. innerhalb einer flächenhaft ausgedehnten Probe eine Vielzahl von räumlich getrennten, lokalisierten Probenseg menten definiert wird,
- 2. eine Mehrzahl der Probensegmente sequentiell nacheinander lokal angeregt wird und dabei als Meßsignal jeweils die Intensität der Infrarotstrahlung nach der Wechsel wirkung mit der Probe für einen jeweils voreingestellten spektra len Scan-Parameter gemessen wird,
- 3. der Scan-Parameter schrittweise zwischen der Messung einzelner Probensegmente so variiert wird, daß mit einer vorgegebenen Anzahl von Messungen alle Meßwerte innerhalb des Scan-Meßbereichs durchgefahren werden.
- 1. a multiplicity of spatially separated, localized sample segments is defined within an area-wide sample,
- 2. a plurality of the sample segments are sequentially locally excited one after the other and the intensity of the infrared radiation after the interaction with the sample is measured as a measurement signal for a respectively preset spectra len scan parameter,
- 3. The scan parameter is varied step by step between the measurement of individual sample segments in such a way that all the measurement values within the scan measurement range are carried out with a predetermined number of measurements.
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